混合动力的前世今生(上):内外交困的前世

每当油价持续上涨,汽车产业总会出现巨大的变局。

在汽车诞生的初期,纯内燃机并不是唯一的主角。当时电力革命兴起,新一轮技术革命是由电力驱动的,所以在20世纪初电动车还曾试图和内燃机一较高下。

到了上世纪70年代,第一次石油危机发生之后,日本车企利用小排量发动机的省油优势,成功进入了全球最大的汽车市场。从此之后,全球汽车产业从欧美主导变为了欧美日三足鼎立的阶段。“省油耐用”也成为了日系车标签。

尽管三巨头试图用电动车确保自己的领先优势,却不料半路杀出个“普锐斯”。这款搭载了一套被称为“ToyotaHybridSystem”(丰田混合动力系统)的全新内燃机+电机总成的驱动系统,成为高油价时代最成功的消费品。

时过境迁,2022年全球原油价格因俄乌战争飙升至接近130美元/桶,这迫使美国油价上涨到每加仑4.14美元,打破了2008年以来的最高价格。就连中国国内油价也全面超过9元/升。在如此高的油价之下,全球汽车产业必然也会迎来一次洗牌,那么这次走势又会如何呢?

混合动力(以下简称“混动”)发展至今,凭借节油性能,在汽车市场已占有一席之地。它诞生在100多年前那个机械和电气百花齐放的年代,然而处于内外交困的混动,当时的结局让人惋惜。

1839年世界上第一台纯电动车出现,受制于电池技术,纯电续航里程短,一直没大规范推广。德国工程师奥托(NicolausOtto)在1876年发明了内燃机,让发电机组小型化成为可能。

1901年,23岁的德国人费迪南德·波尔舍(保时捷创始人)将汽油发电机组搭载在纯电动车上,解决了电动汽车里程短的问题,于是世界上第一台混合动力汽车出现了。这套混动基本结构其实与现在日产的e-POWER一样,叫串联式混合动力,又叫增程式混合动力。

一开始,这套混动颇有卖头,因为纯电动车里程短得离谱,而燃油车需要手动换档,要知道当时手动换挡器是没有同步器的(带同步器的手动变速器在1928年开始装车),换挡时需要两脚离合器,这只有专业人士才能操作。

但后来,随着变速器的改进以及用户对车辆性能需求的提高,混合的弱点暴露出来,成本高、最高车速低、耐久性等方面都不及传统燃油车,连燃油经济性(单位行驶里程的燃料消耗量指标)都远远落后。于是混动进入了冬眠期,少有人问津。一直到上世纪60年代现代电子电气技术陆续涌现,才开始为混动赋予新的生机。

混动关键技术——能量制动回收,在1967年由美国汽车公司Amitron开发,并于1982年进化为电力辅助驱动和能量制动回收。有了这项技术的加持,现代混动的样车出现了。这里不得不提到混合动力汽车之父维克多·沃克,他在上世纪60-70年代做了许多混动研究,并制造了第一辆现代混动的样车,这是一辆安装了16kW电机的别克Skylark。

尽管由“电机-发电机-电池”组成的混动系统能改善整车燃油经济性约10-20%,但这依然不够。于是工程师将阿特金森发动机(一种内燃机形式)搭载在混动车辆上,这能让混动系统如虎添翼。

传统燃油车搭载的发动机是人们熟知的四个冲程发动机,包含了进气、压缩、做功和排气,其运行时表现出的热力学循环是奥托循环,这是以内燃机发明者奥托命名。

其中,5→6是靠剩余压力进行排气,尽管这时候气缸压力已经不高,但是如果利用起来做功,热效率也能有所提升。于是,在奥托发明内燃机后仅仅过了六年便迎来挑战者:1882年,英国工程师詹姆斯阿特金森(JamesAtkinson)为了改善效率,发明了阿特金森循环内燃机。

上图是阿特金森循环和奥托循环对比示意图,奥托循环是1→2→3→4→1围成的浅黄面积,面积大小即单循环做功大小;而阿特金森循环是1→2→3→4A→1围成的浅黄和橘色之和,其中,1和4和4A围成的橘色面积就是从废热中榨取出来功的大小(堪比当时的资本家)。

需要注意到,压缩是从1→2,而做功膨胀是3→4A,意味着,整套机构的膨胀比必须比压缩比更长。为实现这一目标,聪明的阿特金森巧妙地设计了三套机构。

其中阿特金森循环比较紧凑,可以应用到车辆上。从动画可以看出,其曲柄连杆机构是多连杆机构,比起奥托循环,这套机构更加复杂。在那个没有CAE/CAD等计算机软件加持的“冷兵器(铅笔+尺子)”时代,能设计和调试出这套多连杆,可以看出当时人们的超高能力。

从动图来看,不难让人再次联想起日产。日产可变压缩比发动机也是多连杆机构,和这套机构十分类似。

据悉,当时这套阿特金森循环的热效率比奥托循环高出20%~30%,由英国某家内燃机公司量产并持续销售近10年。然而,由于阿特金森发动机存在两大缺点,即紧凑性不如奥托循环发动机、升功率较低,在那个年代并没有太多人愿意为了热效率而牺牲内燃机的动力性能,只能说生不逢时。

1957年,美国工程师米勒(RalphMiller)在船动力和发电厂上再次引入了阿特金森循环并克服了紧凑性问题,他只通过配气机构便实现了膨胀比大于压缩比的目标。怎么实现的?他设计出一个超高压缩比的发动机,这样膨胀比也同步提升,然后调整配气机构将进气迟后角增大,从而让进入气缸的一部分混合气又排回进气歧管,这防止了因过大压缩比而产生爆燃爆震。

这种循环被命名为米勒循环,其热效率改善没有阿特金森循环那么明显,但是解决了阿特金森发动机紧凑性差的缺点,因而存在较高的商业化价值。

1993年,马自达解决了阿特金森升功率低的缺点并首先将其商用。KJ-ZEMV6发动机是马自达当时最为先进的发动机,排量2.3升,V6结构,在1995-1998年连续入选“沃德十佳发动机”。该发动机加入了机械增压机构以增加升功率,最终实现的升功率为70kW/L(总输出162kW),但是机械增压消耗了一部分功率,因此,从米勒循环上压榨出来的额外功率又“挥发”掉一部分,最终节能效果差强人意。

由于混合动力有电机辅助,升功率低并不会成为致命问题,而节油却能让混合动力如虎添翼,这就是现代混动系统普遍采用阿特金森(米勒)发动机的原因。

至20世纪80年代末,混动所需的技术已经配齐,具备与传统燃油车竞争的条件。尽管技术内因解决了,但是外因却一直笼罩着混合动力。而外因就是廉价的汽油。

假设汽油价格一直保持在低位且没有政府等力量的干涉,那么混合动力的问世或将会推迟小几十年。这个逻辑同样存在当前的能源领域。现代技术已经可以实现“种植”清洁能源(风光水电),但是大多数国家还在“采集”化石能源,原因是化石能源便宜。

上天给了混合动力机会:上世纪90年代初海湾战争引发油价飞涨,每桶价格从17美元涨到36美元。各国汽车厂商开始注重汽车燃油经济性,尤其是日本厂商,资源匮乏的日本承受不了高油价,混合动力自然成为开发预算中最青睐的对象。1997年丰田普锐斯的问世具有划时代意义,从此进入了混合动力发展的黄金时代(今生)。

THE END
1.揭秘新能源汽车的前世今生,回顾电动汽车发展史这下麻烦了 阿伟汽车63万次播放 02:15 实录1943年电动汽车换电全过程,其方式与今日新能源换电如出一辙 火火14万次播放 03:04 在现场给大家看看尊界 S800 超级充电站16万次播放 00:45 暴力年检取消了#汽车年检 #M站 #新能源年检 #检测站 #暴力年检 老高你好八戒21万次播放 01:12 丰田亚洲龙,新车行情崩了#https://www.dongchedi.com/video/7351981249113621043
2.零跑汽车的前世今生零跑汽车自2015年成立以来,一直致力于成为一家具有全球影响力的智能电动汽车制造商。作为浙江零跑科技股份有限公司旗下的科技型智能电动汽车品牌,零跑汽车总部位于中国浙江杭州。公司业务范围涵盖了智能电动汽车整车设计、研发制造、智能驾驶、电机电控、电池系统开发,以及基于云计算的车联网解决方案等多个领域。零跑汽车凭借https://m.yiche.com/baike/29187612.htm
3.细数中国电动车创始这些年之前世今生美国人托马斯·达文波特Thomas Davenport于1834年制造出第一辆直流电机驱动的电动车。1837年,托马斯因此获得美国电机行业的第一个专利。 而在1873年,由英国人罗伯特·戴维森用一次电池作动力发明的电动汽车,并没有列入国际的确认范围。后来就出现了铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池,锂离子电池,燃料电池作为电力。 https://www.qqddc.com/html/news/201702/news_43506.html
4.老头乐,低速电动车的前世今生搜狐汽车汽车十三行今天18:55 鸿蒙智行尊界S800正式亮相,预计售价100-150万开启预订 风格车评今天18:31 读懂“1113”战略,就明白广汽本田的“电动化”布局 My车轱辘今天18:27 新款智界S7上市:价格已经降了,下面请看销量 车动态今天18:25 对话艾铁成:乐道L60的天花板高过Model Y 汽车观察AUTOOBSERVER今天18:21 享界S9 https://chihe.sohu.com/a/577011486_372565
5.新能源汽车的前世今生2015年5月18曰,国务院发布《中国制造2025》规划,规划中提到继续支持电动汽车、燃料电池汽车发展,为新能源汽车发展指明了前进方向。 然而,在新能源电动汽车发展如火如荼的当下,也许很多人都难以想象,其实电动汽车比燃油汽车发明还要早上10年以上。 1885年到1915年是电动汽车的第一次黄金时期,并且在1912年达到了顶峰,https://www.hbjsxy.cn/newsinfo/4372483.html
6.002永磁电机的发展:让你全面了解永磁电机的前世今生,看不明白来打我大家想一想啊,新能源汽车的动力来源是啥呀, 当然是电机啦,永磁电机以其高效率高功率等优点, 正逐渐成为电动汽车驱动系统的主流应用。 比如,近期上海汽车推出5款新能源汽车, 全部应用的是永磁电机。 而特斯拉也由以前的以异步电机为主正转为同步电机为主的变革中。 https://blog.csdn.net/weixin_42164589/article/details/121091399
7.FE完全指南带你看FE电动方程式的前世今生随着时代发展,FE得到越来越多人的认可,而赛事本身也在不断进化,从开创、发展到日臻成熟,FE电动方程式始终在向电动汽车的美好愿景进发。 2021年,受全球疫情影响,国际汽联电动方程式第七赛季的比赛几经延迟,终于在2月26日至2月27日在利雅得举办了揭幕战的比赛。目前,第七赛季已确定10站比赛。本月的罗马站和瓦伦西亚http://app.nio.com/content/509275?load_js_bridge=true&show_navigator=false&content_type=article&content_id=509275
8.《电动汽车动力电池技术[精品]》最新章节参考文献董铸荣著电动汽车动力电池技术北京理工大学出版社 | 董铸荣245字 工业内容简介:本书为深圳职业技术学院与比亚迪股份有限公司校企合作共同编写的新形态一体化教材,以完成相应的项目和任务进行内容编排。 教材定位于传授 目录25章查看目录 免费版权信息 免费项目一 动力电池基础知识 免费任务1-1 了解电池的前世今生 https://m.zhangyue.com/detail/12916796/